平成2年度 研究報告 大分県工業試験場

ヒ車重嚢二二］窒 化 処 理鋼 の イ オ ン

機械部

1 緒 言

鶴 岡 一 康2。2 処理条件

鋼材の表面硬化処理方法の一つに窒化法があり、イオン窒化処理条件を表2に示す。処理条件は各プレス型やモールド型、熱間鍛造塾などの金型や自公設試のイオン窒化処理条件の状況を調査し、代表動車部品等の耐摩耗性、耐焼き付き性の向上を目的的な条件を設定した（1ト（14）。

として利用されている。その中でもイオン窒化法は無公害、省エネルギー型の方法で、処理温度が低いことから発生する歪みも小さく、近年各社で導入され利用されている。

当工業試験場でも平成元年度にイオン窒化装置が導入された。そこで利用する際の目安になるよう、各種材料にイオン窒化処理を施し、寸法変化や表面あらさ、硬さ分布を計測したので以下に報告する。

表2 処理条件

処理時惜5hrガス比率1i2：N＝1処理温度（Oc）ガス圧（rI、肝）適月］材質う50柑1SKDl，61SノCM馴5 SCk】45，SC㌔牲1045CSU30d，しS42J 0〔⊆1HSKDl，U304
3 実験結果2 実験方法3．1 硬さ分布、表面あらさ及び寸法変化

2。1供試材

以下に各材質についての断面硬さ分布、表面あら試験材としては、市販の合金工具鋼（SKDll、さ及び寸法変化について測定した結果を示すが、全SKD61）、合金鋼（SACM645、SCM415、SCM440）、炭素鋼（S45C）、ステンレス鋼（SUS304、SUS420J2）

0∴：Q一丁持，T＝550ナドニiO

ヘリ090■：GトT川，T−550，Pニ5∴：ローTトTこヰ00，P＝100B

へ∪り・F00

供試材の熱処理条件

袖轡表1n︺

あらさを測定した。

●：Q−TしT＝550，Pニ50g）で測定した。処理前後の表面あらさは中心線平均−上断面の硬さ分布をマイクロピッカース硬さ計（200︵uっっご＞H

また、イオン窒化処理前は表面硬さを、処理後は−ま熱処理パターンで熱処理を施して試験に供した。

O1

材を□10×50に加工し、材質によっては表1に示す

条件（温度×時間分）

SKD‖，Sし服0 川25× ガス冷−180×6 SKDl，SKl）61 025× ガス冷56×30
SAC肺葉

鋸0×25ガス冷7nOX25ガフ

SC丸1∠i40

8う0×25水冷Ⅶ（柵〕×50水冷

SUS304

川25ニく25ガス冷

蔚0 0。2 0。4 0。6 0．61．0
表面からの距碇（職〉
区＝ SKDll硬さ分布・37 ¶平成2年度 研究報告 大分県工業試験場
体的にイオン窒化処理のガス圧による影響は、ガス圧P＝5TorrとP＝10Torrではみられなかった。

る。
表4に示すように、表面あらさは処理前後で殆ど変化していないが、対辺問寸法は平均0．14％膨張し（1）sKDll

イオン窒化処理温度が5500cの場合は、表面硬さ及ている。

び硬化層深さ（表面から中心硬さ＋Hv50までの距離）は熱処理には殆ど影響されず、その表面硬さはHvllOO〜1150、硬化層深さは0．1mmで、中心部の硬：00†上i

さば処理前に比べてHvで150〜200低下している。
一方イオン窒化処理温度が4000Cの場合は、表面硬変わらず、処理による低下はみられない。
処理前後の表面あらさと寸法の測定結果を表3に○：G巨丁臣P＝10
ユ：Q−TH，Pニ50000

9nO
7くなる傾向があるが、低い場合は変化していない。

綿轡

示すが、表面あらさは処理温度が高い場合は若干悪︵ざ0巴真

さは約Hvl170が得られているが、硬化層は極表層部分のみである。また、中心部硬さは処理前と殆ど＜対辺問寸法は処理温度が高い場合、0．12〜0．2％膨張し、低い場合は殆ど変化していない。
表3 SKDllの表面あらさと寸法変化
QTL，550誤抑ほ0 い耽馴

00

事後 0．2 0．3 戸口．2 0．5 0．J

蔚0 0◎2 0。4 0．6 0。B ま。0
表面からの距離（職〉

前 0．1 0∴う 0．1 0．25 岳 0．1〟m 変化量 川．1 田 用．】 用．25 0

図2 SKD61硬さ分布

寸法準化（mm）

変化量 十0．022
町酌

1i．287†0．（〕t5∩・0（） 4こ00

J：Q一丁，Pニ10

11・291戸11R289 ∈表面硬さはHvllOO、硬化層深さは約0．15mmで、表4 SKD61の表面あらさと寸法変化．い

表面より0．05〜0．07mmの位置が最も硬くなってい忘00N︶羞 細野（2）SKD61

ユ：Q一丁†Pニ5（「○10000篭6（⊃ 凶 凶00

前0 0申2 0■4 0■6 0。61。0表面からの距離（岨）図3 SACM645硬さ分布
仙 38

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表6 SCM415の表面あらさと寸法変化（3）SACM645

表面硬さはHvlO80で、表面から約0．025mmの位

アラサ

0．7

置でHv500と表面層のみが硬くなっており、硬化層Ra0、7深さは約0．1mmである。

表面あらさは処理前後で若干悪くなっており、対辺間寸法は約0．03〜0．06％膨張している。
変化量

表5 SACM645の表面あらさと寸法変化

用．007 十0．006 十0・00封＋0・呵 q0．1
処 ‡田 前 喜0∴ま庵化蔓

0（5）SCM4400．3

表面硬さはHv750で、硬化層深さは0・2mmであ†0．2

り、内部の硬さは処理前より約80硬くなっている0

寸法変化

処理前後の表面あらさと寸法を表7に示すが、表（mm）

面あらさは若干悪くなっており、対辺間寸法は平均変化量 0・003 ＋0，004 ＋0．006 用．00∫40．06％膨張している。

表7 SCM440の表面あらさと寸法変化（4）SCM415

表面硬さはHv800であるが、硬化層深さは0・25アラサmmと深くなっている。

0．1Ra凹

表面あらさは処理前後で若干悪くなっている。

肌2（／∠m）

対辺間寸法は約0．05〜0．09％膨張している。

寸法変化（m〕

事0変化量川．002 川）7 †0．008 ＋0．（〕070O

90︵＝00O0O0△△0505

ワ6ー粗野∩）

ハU O︵ざニN︶＞芯 ネU瞥

60nU0U7︵山00N︶主0

櫓：ニ・− ・．：−：√．・： 二＼・∫二ご ∴表面からの距離（山）図4 SCM415硬さ分布

前0 0。2 0・4 0甲6 0▼8 LO
表面からの匪罷（m〉
図5 SCM44鴫更さ分布39 −W〝平成2年度 研究報告 大分県工業試験場

表9 SUS304♂）表面あらさと寸法変化（6）S45C

硬化層深さは粟拍15111mで、表面のみがHv500と（）1、lりう1（〕 （J′王、Ⅰ．，竺」」仙】一二なってj3リ、イオン窒化処理の効果が顕著にはみら▼山れない。

表面あらさは表8に示すように、処理後には悪くなっている。

対辺間寸法は変化していないとみてよ

1L難題㌧川∴71

いだろう。
変化量棚．U2l T（〕．n2」

表8 S45Cの表面あらさと寸法変化
書↑∩。0げi川．001

弓す

3l一ふ

J：Q，T＝550

02△：Q，T＝400

1ぅヨ且0︵b11ムハU（⊃OnU5O
54O4OO︹．舌△：P＝5∴．ニ∴一三

J：P＝10nUO3003Oりムn︺1002︵嘘00叫︶拝謁抽轡

前0 0。Z O。4 0⑳6 0・81◎0

表面からの距離（皿）図7 SUS30萌更さ分布

前0 0す2 0。4 0・6 0。81。0

表面からの距離（m）
図6 S45C硬さ分布（8）SUS420J2

表面硬さはHvl150で、硬化層深さは約軋klinで（7）SUS304あるが、表面から0．075mm付近まではHvll00程度

表面硬さば処理温度が550 ⊃Cの場合Hv1370、の石更さが得られている。しかし内部硬さは処理前の4000Cの場合Ⅰ‡1r53∩となっており、処理温度による表面硬さがHv670前後であったのがHlr400と低下影響が大きい。また、硬化層深さは550〇Cの場合0．05している。

miて1、400CCの場合表面のみが硬化しているようだ。

処理前後の表面あらさと寸法を表10に示すが、表表面あらさは処理温度に関係なくやや悪くなる傾面あらさは処理前後で若干悪くなっており、対辺間向にある。また、寸法変化は処理温度が500じCの場合寸法は0．12〜0．15％膨張している。

は対辺間で0．19％膨張しているが、4000Cでは0．03％と殆ど変化がみられない。

3．2 窒化組織
写真1に各材質の代表的な窒化組職の顕微鏡写真

一 40 一

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0l2

表10 SUS420J2の表面あらさと寸法変化︵‖U0OnU

07且O∴：Q一丁L，P＝5OO9へび00Z︶三■・l1上△︵⁚U0nO

ハUO7細野散層が黒色を呈しており素地との境界もはっきりし○△600ている。拡散層までの窒化深さは硬化深さと対応し○ており約0．1mmである。SKD61材はわずかに化合物層がみられ、全窒化深さ（化合物層＋拡散層）は500

約0．15mmで硬化深さと対応している。
SACM645材は化合物層がわずかにみられるが拡400

散層と素地との識別はできない。これを硬さ分布と3C妻0

前0 0・2 0。4 0。6 0。＄ 且￠0
表面からの距離（皿）対応してみると、表面硬さは別にして表面からの硬さがSKDllやSKD61などのように急峻な変化はしておらず、緩やかな変化となって現れている。この

図8 SUS420J2硬さ分布

傾向はSCM415やSCM440、S45Cにもみられる。
を示す。

SUS304財は拡散層のみがみられ、素地との境界

sKDll材は化合物層（白層）はみられないが、拡SK‡）11（QTL材）

SCM440（QT材）

ははっきりと現れており、その層の厚さは約50〃m

SKD61（Q−TL材）

S45C

SÅCM645（QwT材）

SUS30 豊（Q材）

SCM415

SUS420J2（QTL材）

イオン窒化処理条件二温度5500C、時間5hr、ガス比率N2：王i2二1：1、ガス圧川′j、orr

写真1 窒 化 組 織41

平成2年度 研究報告 大分県工業試験場
で硬さ分布とよく対応している。SUS420J2材は化

まかな条件設定は可能である。ただ実用品にイオン合物層がわずかにみられ、その直下に黒色の層がみ

窒化処理を適用する場合は製品の形状、穴径の大小られる。拡散層はSUS304材ほどではないがはっきりしており、全窒化深さは約0．1mmである。ステン等に影響されるため、各製品に応じた処理条件の設定が必要であり、これが各利用者のノウハウとなるレス鋼はイオン窒化処理により腐食され易くなってと考える。

おり他の鋼と違って耐食性の面では問題がある。
追 記

4 緒 言
イオン窒化装置の導入にともない、利用の際の目安となるよう、合金工具鋼（SKDll、SKD61）、合金

本実験に使用したイオン窒化装置は、平成元年度に日本自転車振興会の補助金を受けて設置したものである。

鋼（SACM645、SCM415、SCM440）、炭素鋼（S45C）、ステンレス鋼（SUS304、SUS420J2）に、温度550DC、時間5hr、ガス比率N2：H2＝1：1、ガス圧10Torrの条件でイオン窒化処理を行うとともに、各公設試の研究報告書における処理条件の状況を調査した。その結果以下の結論を得た。
（1）合金工具鋼は表面硬さHvlOOO以上、硬化深さ0．1mm以上が得られた。また、拡散層と素地とははっきり識別でき、SKD61の表面層にはわずかに化合物層がみられた。
（2）sACM645は表面硬さHvlOOO以上、硬化深さ0．1mm以上、SCM415、SCM440でHv700以上、硬化深さ0．2mm以上を得た。
（3）炭素鋼の表面硬さはHv500、硬化深さは0．15mmであった。
（4）ステンレス鋼は表面硬さがHvllOO以上得られたが、硬化深さは0．05mmと浅く、硬さ分布は急峻である。
（5）表面あらさは処理によって全般的に悪くなる傾向がある。
（6）寸法変化は、合金工具鋼、ステンレス鋼の場合0．1〜0．2％膨張する傾向があるが、合金鋼、炭素鋼の場合は殆ど変化しなかった。
（7）SKDllとSUS304を温度400DCで処理した結果、SKDllは処理前後で内部の硬さの低下がなく、SUS304の場合は表面層のみHv400から500となった。

参考文献
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本実験では処理条件の詳細な検喜寸を行わなかったが、各公設試研究報告の調査結果を参考にすれば大… 42 一

14） 菊内伊久保他：京都市工業試験場研究報告，
14，（1986），14。